厦大杨勇EnSM：全固态锂金属电池中电化学机械应力串扰引起电池微短路的见解

在全固态电池（ASSB）中使用锂金属负极（LMA）时，会出现微短路行为。研究表明，失效机制涉及固态电解质（SSE）的机械损伤。然而，关于电极之间的应力串扰及其对全固态电池微短路行为的影响的全面研究仍然缺乏。

在此，厦门大学杨勇团队研究了三种具有不同体积变化的正极材料（硫、NCM811和LiCoO₂），并比较了在相同条件下与LMA配对时的短路行为。结果表明，在循环过程中，硫和NCM811材料的体积变化方向与锂金属负极相反。在这种情况下，电极间应力串扰产生的作用力将导致SSE晶界受到更严重的破坏。

相比之下，LiCoO₂在循环过程中与锂金属负极的体积变化方向一致，因此对 SSE 的机械损伤相对较弱。最后，作者提出了一种主动压力控制系统，它有助于减轻应力串扰并提高循环寿命。

图1. SSE机械建模

总之，该工作研究了由三种不同正极活性材料组装的锂金属全电池中电极间应力串扰与微短路行为之间的关系。首先，将三种材料在电极和晶体尺度上的应力变化和方向解耦，为有限元模拟提供数值参考。随后，采用内聚区模型和牵引分离定律来解释电极间应力串扰与SSE晶界机械损伤之间的关系。

对于硫和NCM811材料，循环过程中正极和锂金属负极之间相反的体积变化方向导致相同方向的内应力合力，进而导致晶界处的应力分布更加不均匀和严重的机械损伤。相反，对于LiCoO₂材料，在循环过程中电极体积变化方向与Li金属负极一致，导致SSE晶界内相对较弱的机械损伤。

结果显示，全电池可以正常工作几个周期。这种电化学机械现象源于电化学过程中正负极材料不同的收缩膨胀行为导致的电极应力耦合，导致SSE内局部应力集中/累积和裂纹演化。此外，主动压力控制系统旨在通过“反馈调整”机制减轻ASSLMB循环过程中的应力串扰。该系统使S442-Li和NCM811-Li电池能够稳定循环。因此，该项工作表明电极之间的应力串扰应被视为开发高性能ASSLMB 的关键因素。

图2. 电池的电化学曲线和压力调节结果

The insight of micro-short circuits caused by electrochemo-mechanical stress crosstalk in all-solid-state Li metal batteries, Energy Storage Materials 2023 DOI: 10.1016/j.ensm.2023.103052